Em campos eletrônicos de alta-frequência, como comunicação 5G, navegação por satélite e sistemas de radar, a frequência de transmissão do sinal normalmente atinge o nível de GHz ou até mais. Neste ponto, as placas PCB comuns não são mais capazes de atender aos requisitos de integridade do sinal, e as placas PCB de alta-frequência se tornaram uma escolha inevitável devido às suas características exclusivas de material e design de processo. A principal diferença entreplaca PCB de{0}}alta frequênciae placa comum:
1, diferença central: avanço disruptivo em materiais e desempenho
(1) A diferença essencial nas características do substrato
Placa PCB comum: tomando FR-4 como exemplo
Composição do material: Usando tecido de fibra de vidro impregnado com resina epóxi como substrato, o custo é baixo e o processo é maduro, mas a constante dielétrica é alta (geralmente Dk=4.2-4.8) e a perda dielétrica é grande (Df=0.02-0.03).
Limitações de alta frequência: Quando a frequência do sinal excede 1 GHz, a perda dielétrica aumenta significativamente, a atenuação do sinal é severa e a constante dielétrica flutua significativamente com a frequência, dificultando o controle da impedância.
Placa PCB de alta frequência: tomando PTFE e materiais compósitos preenchidos com cerâmica como exemplos
Inovação de materiais:
Folha baseada em PTFE: como a série Rogers RT/duroid, com Dk tão baixo quanto 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Materiais compostos preenchidos com cerâmica, como IsolaFR408HR, reduzem Dk (Dk=3.0-3.8) e melhoram a condutividade térmica por meio do preenchimento com pó cerâmico, equilibrando desempenho de alta-frequência e custos de processamento.
Principais vantagens: A baixa constante dielétrica reduz o atraso na transmissão do sinal, a baixa perda reduz a atenuação de energia e o Dk/Df muda em menos de 5% com a frequência, garantindo consistência de fase de sinais de alta-frequência.
(2) Requisitos especiais para layout estrutural
Layout empilhado de PCB comum
A camada de sinal é simplesmente separada pela camada de potência/camada geológica, e a tolerância da espessura dielétrica intercamadas pode ser de ± 10%. A precisão do controle de impedância é geralmente de ± 10%.
Layout empilhado de PCB de alta frequência
Controle rigoroso de impedância: usando estruturas específicas de linhas de transmissão, como linhas de microfita, linhas de tira, guias de ondas coplanares, etc., a tolerância da espessura dielétrica precisa ser controlada dentro de ± 5%, e o requisito de precisão de impedância é de ± 5% ou mesmo ± 3%. Por exemplo, o cálculo da largura da linha de uma linha microstrip de 50 Ω precisa ser preciso até o nível μm, ao mesmo tempo em que considera a influência da rugosidade da folha de cobre na impedância (quando a rugosidade Ra é menor ou igual a 0,5 μm, o desvio de impedância pode ser reduzido em 2% -3%).
Otimização da blindagem eletromagnética: Sinais de alta frequência são suscetíveis a interferência eletromagnética, e layouts de camada de blindagem em tela cheia ou estruturas de capacitores/indutores incorporadas são frequentemente usados. Aterramento por meio de matrizes (espaçamento menor ou igual a 1 mm) é adicionado entre as camadas para reduzir diafonia.
(3) A precisão da tecnologia de processamento disparou
Tecnologia comum de processamento de PCB
Precisão de perfuração ± 50 μm, tolerância de largura da linha de ataque ± 10%, tratamento de superfície usando principalmente HASL, rugosidade Ra=1-3 μm.
Tecnologia de processamento de PCB de alta frequência
Perfuração: Perfuração a laser (abertura menor ou igual a 0,1 mm) ou furadeira CNC (precisão ± 10 μm) é usada para evitar a delaminação do substrato causada pela perfuração mecânica.
Gravura: Usando uma combinação de processos de galvanoplastia de pulso e gravação química, a tolerância da largura da linha é controlada dentro de ± 5% e a rugosidade da borda do fio Ra é menor ou igual a 0,4 μm para reduzir a dispersão do sinal.
Tratamento de superfície: ENIG (espessura da camada de ouro 0,05-0,1 μm) ou revestimento químico de prata é preferido, com planicidade Ra menor ou igual a 0,2 μm, para reduzir a resistência de contato e perdas por efeito de pele.
2, Considerações básicas para produção de placas PCB de alta-frequência
(1) Seleção de materiais: de "utilizável" a "adaptação precisa"
Correspondência de faixa de frequência
Cenário de 1-10 GHz: FR-4 preenchido com cerâmica opcional (como Nelco 4000-13SI) ou folha de resina epóxi modificada (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Cenário de 10 GHz: devem ser usados materiais compósitos à base de PTFE ou à base de cerâmica (como Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Considerações sobre gerenciamento térmico
Dispositivos de alta frequência geram uma grande quantidade de calor, por isso é necessário escolher uma placa com condutividade térmica maior ou igual a 0,5W/(m · K) (como Rogers 4350B, com condutividade térmica de 0,7W/(m · K)) e projetar uma estrutura de dissipador de calor embutida.
(2) Controle de processo: maior busca pela precisão do nível micrométrico
Processo de laminação
Usando uma máquina de laminação a vácuo, a uniformidade da pressão é menor ou igual a ± 2% e a flutuação de temperatura é menor ou igual a ± 1 grau para evitar desvio de impedância causado pela espessura irregular da camada média. Por exemplo, se a tolerância de espessura de uma camada dielétrica de 0,1 mm de espessura exceder ± 5 μm, o erro de impedância excederá ± 4%.
Transferência de padrão
Usando a tecnologia de escrita direta a laser em vez do desenho óptico tradicional, a precisão da largura da linha pode atingir ± 3 μm, adequada para a produção de linhas ultrafinas abaixo de 50 μm. Durante a exposição, é necessário controlar o comprimento de onda da fonte de luz (luz ultravioleta 365nm) e a densidade de energia (120-150mJ/cm²) para evitar desenvolvimento excessivo ou insuficiente.
Monitoramento de impedância em tempo real
Depois de concluir cada camada de fabricação do circuito, use o TDR para medir a impedância on-line e ajustar os parâmetros do processo subsequentes comparando os valores do projeto. Por exemplo, se a impedância medida for 8% maior que o valor alvo, a compensação poderá ser feita aumentando a espessura da folha de cobre antes da gravação ou do ajuste-fino da largura da linha.
(3) Prevenção e Controle de Defeitos: 'Lesões Fatais' em Cenários de Alta Frequência
Bolhas de camada média
Antes da laminação, seque a vácuo o substrato e a folha semicurada (120 graus/2 horas) com um teor de umidade controlado abaixo de 0,1% para evitar vazamento de sinal causado pela geração de bolhas durante a prensagem em alta-temperatura.
Rugosidade da folha de cobre
Os circuitos de alta frequência devem utilizar RTF ou HVLP, com rugosidade Ra menor ou igual a 0,3 μm. A folha de cobre eletrolítico comum (Ra=1.0-1.5 μ m) aumentará a perda de sinal de 10 GHz em mais de 30%.
Parâmetros parasitas através de furos
Furos passantes de alta frequência requerem o uso de tecnologia de perfuração traseira para remover "Stub" (comprimento da pilha residual menor ou igual a 0,5 mm) e controlar a impedância do furo passante para corresponder à impedância da linha de transmissão (desvio menor ou igual a 5%). Furos passantes não perfurados gerarão uma perda de retorno de aproximadamente -20dB a 10GHz.
(4) Detecção e verificação: penetração de desempenho multi-dimensional
Teste de integridade de sinal
Use um analisador de rede vetorial para medir os parâmetros S (S11 menor ou igual a -20dB, S21 maior ou igual a -3dB na frequência alvo) e avaliar a perda de retorno e a perda de inserção.
Teste de confiabilidade térmica
Realize um teste de soldagem por refluxo a 260 graus/10 segundos para observar se há delaminação na placa (detectando a superfície de ligação intercamadas através de um microscópio de fatia) e teste a mudança na constante dielétrica em alta temperatura (Δ Dk menor ou igual a 3%).
Verificação de envelhecimento a longo prazo
Coloque a amostra em um ambiente de 85 graus/85% de umidade relativa por 500 horas para testar a resistência de isolamento (maior ou igual a 10 ^ 9 Ω) e alterações na perda dielétrica (Δ Df menor ou igual a 5%), garantindo estabilidade de longo-prazo de desempenho de alta-frequência.
3, caso típico: prática de design de alta frequência da placa RF da estação base 5G
No projeto da placa RF da estação base 5G AAU (unidade de antena ativa), a placa Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) é usada para fazer um conjunto de antenas de microfita. Alcance avanços no desempenho de{5}alta frequência por meio das seguintes medidas:
Design empilhado: estrutura de 3 camadas (camada de sinal/camada de solo/camada de sinal), espessura dielétrica 0,254 mm, controle de impedância 50 Ω± 3%.
Inovação de processo: Usando perfuração a laser CO ₂ (abertura de 0,15 mm) e tratamento químico de superfície com revestimento de prata (rugosidade Ra=0.15 μ m), a perda de inserção na banda de frequência de 18 GHz é reduzida para 0,8 dB/polegada.
Verificação de teste: A perda de retorno na faixa de frequência de 18-22 GHz medida pelo VNA é inferior a -25dB, atendendo aos rigorosos requisitos do padrão 5GNR para links de RF.